（水文学及水资源专业论文）乙醇汽油污染介质的反硝化增强修复对渗透能力的影响.pdf

桂林工学院硕士学位论文 摘要 随着乙醇混合汽油的不断推广，乙醇将成为地下水中与苯、甲苯、乙苯及二 甲苯的同分异构体( b e n z e n e ，t o l u e n e ，e t h y l b e n z e n e ，a n dx y l e n ei s o m e r s ，b t e x ) 共存的一种新的污染物。乙醇燃油侵入地下水常导致缺氧条件出现，由于氧气的 低溶解度，向地下环境充氧成本高，相比之下，以硝酸盐作为微生物去除有机物 的可利用电子受体，也具有较强的、仅次于溶解氧的生物修复利用潜力。然而生 物增强修复过程中生物量的增长，不仅会影响含水介质的渗透能力，而且可能影 响电子受体的有效传输，最终影响有机污染物的去除。目前，该影响在国外已经 引起关注，但尚未有针对乙醇燃油泄漏污染的文献报道。因此本次在实验室利用 含水层砂柱试验开展乙醇混合汽油污染介质的反硝化增强修复对介质渗透性能 影响的研究，试验得出了以下两个方面的结论： ( 1 ) 在补充y l i f i 酸盐，且其中的溶解氧在低于限制反硝化下限值的混合电子 受体条件下，乙醇和b t e x 的去除速率在四个含水层砂柱中的情况不同。乙醇和 b t e x 在各砂柱的试验监测时间里，消耗的量较多，产生的乙酸量也较大，可以 肯定是溶解氧和硝酸盐、硫酸盐等电子受体的生物降解作用导致的。乙醇降解先 生成乙酸，乙酸也已被证明能继续进行反硝化反应且效率也较高，说明污染地下 水中的乙醇能够很有效的去除。 ( 2 ) 在乙醇和b t e x 污染物降解的过程中，由于在试验初期，对各砂柱进行 自底部向上的抽注循环，增加了透水性，但除了只投加了b t e x 饱和溶液的砂柱2 渗透系数有所增加外，其他3 个砂柱，不论其介质组成，渗透能力反而都有不同 程度的下降，受影响大小为砂柱4 砂柱3 砂柱1 砂柱2 ，说明了乙醇燃油组分污 染反硝化修复含水层对介质渗透能力存在不同的影响。 砂柱1 的渗透系数k l t 初始值有明显的降低，影响平均值比初始值降低一个 数量级，且随着对砂柱污染物浓度的补充，监测的渗透系数值在不断的下降；砂 柱3 的渗透系数减小了一个数量级，砂柱3 和砂柱1 的渗透系数变化情况基本一致， 但下降幅度比砂柱1 大：砂柱4 的渗透系数初期降低了两个数量级，但砂柱4 的渗 透系数变化出现了反复的情况，再次补充污染物浓度后，渗透能力回升，之后渗 透系数的变化比初始值只降低了一个数量级。 关键词：乙醇汽油，反硝化增强修复，生物降解，渗透能力 桂林工学院硕士学位论文 a b s t r a c t w i t he t h a n o lb l e n d st h eg a s o l i n ec o n s t a n te x t e n s i o n ，e t h a n o lw i l lb e c o m eo n e k i n do fn e w p o l l u t i o ni ng r o u n d w a t e rc o e x i s t i n gb e n z e n e ，t o l u e n e ，e t h y l b e n z e n ea n d x y l e n ei s o m e r ( b t e x ) e t h a n o lf u e lo i li n t r u d e di n t og r o u n d w a t e ro f t e nl e a d i n gt o h y p o x i ac o n d i t i o na p p e a r s ，b e c a u s eo fo x y g c n sl o ws o l u b i l i t y , t h ec o s to fc h a r g e o x y g e nt og r o u n de n v i r o n m e n ti sh i g h ，b yc o n t r a s t ，i ft h em i c r o o r g a n i s mc a nm a k e u s en i t r a t ea st h ee l e c t r o na c c e p t o rf o ro r g a n i c s r e m o v a l ，a l s oh a sr e l a t i v e l ys t r o n g ， b e i n g n e x to n l yt oo x y g e no f b i o r e m e d i a t i o nu t i l i z i n gp o t e n t i a l i t y b u tt h ei n c r e a s eo f b i o m a s si nt h ee n h a n c e db i o r e m e d i a t i o np r o c e s s ，n o t o n l yi n f l u e n c e sm e d i u m p e r m e a b i l i t y , a l s om a ya f f e c te f f e c t i v et r a n s m i s s i o no fe l e c t r o na c c e p t e r , u l t i m a t e l y a f f e c t st h er e m o v e lo fo r g a n i cp o l l u t a n t s a tp r e s e n t ，t h i sa f f e c ta l r e a d ya r o u s e s a t t e n t i o ni na b r o a d ，b u td o c u m e n t sh a v i n gn o ty e tr e p o r ts p e c i f i c a l l yf o re t h a n o lf u e l o i ll e a k i n gc o n t a m i n a t i o n t h e r e f o rt h i se x p e r i m e n tu s e sa q u i f e rc o l u m n si nt h e l a b o r a t o r yt os t u d yt h ei m p a c t so fe n h a n c e dd e n i t r i f y i n g - r e m e d i a t i o nf o rc o n t a m i n a t e d a q u i f e rs a n db ye t h a n o lb l e n d e dg a s o l i n eo nt h em e d i ap e r m e a b i l i t y t h i st e s th a s r e a c h e dt h ef o l l o w i n gt w oa s p e c t so fc o n c l u s i o n ： ( 1 ) h a v eb e e ns u p p l e m e n t i n gn i t r a t e ，a n dd i s s o l v e do x y g e nm o v e sd o w n w a r d s l e s st h a ni n h a b i t i n gd e n i t r i f i c a t i o nl o w e rl i m i tv a l u e ，w h e ni nt h em i x t u r ee l e c t r o n a c c e p t o rc o n d i t i o n ，e t h a n o la n db t e xc o n s u m em o r eo ft h ea m o u n t si nm o n i t o r t i m e i nt h ee x p e r i m e n t ，t h i sc a nb ea f f i r m a t i v et h a ti ti se l e c t r o na c c e p t o r ss u c ha s d i s s o l v i n go x y g e n ，n i t r a t e ，s u l f a t eb i o d e g r a d a t i o n l e dt o ；e t h a n o l d e g r a d a t i o n g e n e r a t e sa c e t i ca c i d ，a c e t i ca c i di st e s t i f i e da l s oa l r e a d yt h ee f f e c t i v eb e i n ga b l et o k e e pg o i n go nd e n i t r i f i c a t i o nr e a c t i o na n dt h ee f f i c i e n c yi sa l s oc o m p a r a t i v e l yh i g h ， e x p l a i n i n gt h a te t h a n o li nc o n t a m i n a t i n gg r o u n d w a t e rc a nb ee f f e c t i v e l yr e m o v e d ( 2 ) i nt h ep r o c e s so fe t h a n o la n db t e xp o l l u t i o nd e g r a d a t i o n ，s i n c ei nt h e e x p e r i m e n ti n i t i a ls t a g e ，p u m p i n ga n dp o u r i n gc y c l e sf r o mt h eb o t t o mu p w a r dh a s b e e nd o n ef o re v e r yc o l u m n ，i n c r e a s e dt h ep e r m e a b i l i t y , b u te x c e p tt h ep e r m e a b i l i t y c o e f f i c i e n to fc o l u m n2e n h a n c e st os o m ee x t e n tw h i c hh a v i n go n l ya d d e dt h eb t e x s a t u r a t e ds o l u t i o n ，a l lo t h e r3c o l u m n s ，i n s p i t et h e i rm e d i ac o m p o s i t i o n ，h y d r a u l i c c o n d u c t i v i t i e sh a v ec o m i n gd o w nt od i f f e r e n td e g r e e so nt h ec o n t r a r y , t h ee f f e c t s u b s e q u e n c ei sc o l u m n4 c o l u m n3 c o l u m n 1 c o l u m n2 ，i l l u m i n a t i n gt h a tt h e d e n i t r i f i c a t i o nr e m e d i a t i o no fe t h a n o lf u e lo i lc o m p o n e n tc o n t a m i n a t e st oa q u i f e r i i 桂林工学院硕士学位论文 e x i s t sd i f f e r e n te f f e c ti nm e d i u mp e r m e a b i l i t y p e r m e a b i l i t yt o e f ! f i c i e n tk o fc o l u m n1r e d u c e so b v i o u s l yt h a ni n i t i a lv a l u e ， a v e r a g ev a l u eo fi n f l u e n c ed e c r e a s e sb yo n eo r d e ro fm a g n i t u d e ，a n dt h a tw i t ht h e s u p p l e m e n t i n go fp o l l u t i o nc o n c e n t r a t i o n ，t h em o n i t o r i n gp e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n t c o m i n gd o w nc o n t i n u o u s l y ；p e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n tk o fc o l u m n3r e d u c e so n e o r d e r , h y d r a u l i cc o n d u c t i v i t i e so fc o l u m n3a n dc o l u m n1c h a n g eb a s i c a l l yi nc o n s i s t e n c e ， b u tt h ed e s c e n dr a n g ei sl a r g ec o m p a r e dt oc o l u m n1 ；p e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n tko f c o l u m n4a ti n i t i a ls t a g el e s s e nt w oo r d e ro fm a g n i t u d e ，b u tt h ec h a n g e sh a v i n g a p p e a r e dt or e c u r r e n t ，w h e nr e p l e n i s h e dt h ep o l l u t i o nc o n c e n t r a t i o no n c ea g a i n ，t h e p e r m e a b i l i t yr i s i n ga g a i n ，t h ec h a n g et h e nh a sr e d u c e do n l ya l lo r d e ro fm a g n i t u d et h a n i n i t i a lv a l u e k e y w o r d ：e t h a n o lb l e n d e dg a s o l i n e ，e n h a n c e dd e n i t r i f y i n g - r e m e d i a t i o n ，b i o g r a d a t i o n ， p e r m e a b i l i t y 1 1 1 桂林工学院硕士学位论文 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权说明 独创性声明 本人声明：所呈交的论文是我个人在陈余道教授指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得桂林工学院或其它教育机 构的学位或证书而使用过的材料。对论文的完成提供过帮助的有关人员已在论文 中作了明确的说明并致以了谢意。 学位论文作者( 签字) ：主毽丝 签字e t 期： 塑堡：型：! 里 版权使用授权说明 本人完全了解桂林工学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：按照 学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和 电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它 复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部 内容。( 保密论文在解密后遵守此规定) 学位论文作者( 签字) ： 指导教师签字： 签字日期： 多疑戴 桂林工学院硕士学位论文 1 1 选题来源 第1 章引言 石油及其产品在生产、运输、使用及储藏过程中，常常因为泄漏而引起地 下水源遭受汽油和其他石油烃的污染，这是当前全球十分普遍而严重的环境问 题。据统计，美国有2 0 0 万地下汽油储藏罐，其中大约有1 0 4 0 万油罐存在向 土壤或直接向地下水中泄漏的现象【1 1 。美国环境保护局( u n i t e ds t a t e s e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na g e n c y , e p a ) 估计，每年大约有1 1 0 0 万加仑汽油由 于地下储藏罐的泄漏而损失。在工业社会里，每年都要消耗约9 0 0 0 亿加仑的这 种物质，必然会频繁出现浅层地下水系统遭受石油烃污染的事件。虽然我国缺 乏类似的调查数据，但地下储藏罐泄漏以及事故性事件是难以避免的，燃油泄 漏带来的直接危害之一是对地下水资源造成污染，将构成我国水资源安全利用 的潜在威胁。 汽油与其它燃油一样，含有苯、甲苯、乙苯与二甲苯的同分异构体( b e n z e n e ， t o l u e n e ，c t h y l b e n z e n e ，a n dx y l c n ci s o m e r s ，b t e x ) ，它们是e p a 规定的危险化合 物。这些b t e x 化合物进入水体后，有大于6 0 质量的组成溶解。由于它们具 有相对高的溶解度，b t e x 是地下水污染物报道中最为频繁的烃类化合物。这 些石油烃具有致癌、致畸和致突变的作用，一直是人们最为关注的与燃油泄漏 有关的毒性芳烃污染，这些物质被许多国家纳入危险物质的行列。自上世纪9 0 年代末汽油传统添加剂甲基叔丁基醚( m e t h y lt o r t b u t y le t h e r , m t b e ) 因 其环境健康危害被禁用以来，逐渐被可更新的绿色资源乙醇替代1 2 l 。添加 了乙醇的汽油开始大规模被用作燃料，目前巴西将近一半的汽油销售量添加了 2 2 的乙醇，美国也有许多州采用了乙醇含量为1 0 ( 体积比) 的乙醇混合汽 油( g a s o h 0 1 ) ，我国不少省份黑龙江，河南等己在2 0 0 2 年开始使用乙醇混合汽 油，广西2 0 0 5 年开始了利用甘蔗等作物资源生产乙醇的技术攻关。随着乙醇 混合汽油的不断推广，乙醇将成为地下水中与b t e x 共存的一种新的污染物。 乙醇燃油侵入地下水常导致缺氧条件出现，由于氧气的低溶解度，向地下 环境充氧不仅成本高，而且能否有效地抵达污染层位也是一个难于控制的问题。 相比之下，以硝酸盐作为微生物去除有机物的可利用电子受体，形成反硝化增 强修复的条件，也具有较强的、仅次于溶解氧的生物修复利用潜力，可以促进 微生物作用去除有机污染物。然而，生物增强修复作用将促进生物量大幅度提 桂林工学院硕士学位论文 高，这些生物可能由于繁殖过快或死亡和产生沉淀，而导致含水介质渗透能力 降低，甚至堵塞。生物增强修复过程中生物量的增长，不仅会影响含水介质的 渗透能力，而且可能影响电子受体的有效传输，最终影响有机污染物的去除。 目前，该影响在国外已经引起关注，但国内尚未有针对乙醇燃油泄漏污染的文 献报道。因此本次开展乙醇混合汽油污染介质的反硝化增强修复对介质渗透性 能影响的研究，对提高生物降解燃油污染物的能力、了解生物降解机理具有重 要的指导作用。 本研究是在实验室利用含水层砂柱试验，通过投注乙醇与汽油组分，并不 断添加硝酸盐，来研究反硝化作用对乙醇与b t e x 组分的去除过程，并着重研 究生物增强作用对介质渗透能力的影响。 该研究得到了国家自然基金项目的资助，项目名称为乙醇混合汽油污染 地下水中乙醇的环境效应与修复( 编号：4 0 6 7 2 2 0 0 ) 。 1 2 国内外研究现状、水平和发展趋势 1 2 1 地下水燃油污染生物修复的研究背景 地下储藏罐以及运输管线泄漏导致浅部含水层遭受石油烃污染已经是一个 重要的环境问题( c o u n c i lo ne n v i r o n m e n t a lq u a l i t y , 1 9 8 1 ) 。然而修复这类污染 的方法仍存在许多问题。至今最常用的修复措施是将污染地下水抽出地表再进 行处理。许多这样的抽出一处理系统并没有考虑微生物降解作用存在的可能性 ( y a z i c i g i la n ds e n d l e i n ，1 9 8 1 ) ，其原因是在上世纪8 0 年代对浅部含水层中的微 生物了解很少( w i l s o ne ta 1 ，1 9 8 3 ) ，对当时普遍遭受汽油罐泄漏污染的浅层地 下水，也缺乏实质性的调型引。 早期的土壤微生物研究表明微生物随着深度的增加其数量也急剧减少 ( w a k s m a n ，1 9 1 6 ) ，1 9 7 1 年夏天，美国宾夕法尼亚州w h i t e m a r s ht o w n s h i p 地区 汽油管道破裂，泄漏了几十万加仑的高含量辛烷汽油。一年之后，估计大约十 几万加仑的汽油侵入了下伏白云质含水层，溶解性石油烃迁移到市政供水源地 附近。当时，地下水系统中含有能够降解石油烃微生物的想法被初次提出 ( l i t c h f i l e da n dc l a r k ，1 9 7 3 ) ，而且越来越清楚地表明利用物理方法去除含水层 中汽油缺乏明显效果( m c k e ee ta 1 ，1 9 7 2 ) 。因此，解决这样的问题，一个合理 的想法就是利用土著的石油烃降解微生物去修复污染含水层。一个石油工业行 业的微生物研究组证明了石油烃降解微生物存在于w h i t e m a r s h 场地含水层中， 2 桂林工学院硕士学位论文 而且在实验室内通过提供氧气、硝酸盐和磷酸盐能够培育这些微生物( j a m i s o n e ta 1 1 9 7 5 ) ，并预测可能在几个月内完成汽油的去除。这是第一个考虑利用微 生物修复石油烃污染含水层的例子i 3 。 随着这类石油烃环境污染问题增多，在8 0 年代浅部含水层微生物变成了活 跃的调查研究题材。特别是，有研究者表明一种能够降解甲苯( 汽油的通常组 分) 的微生物广泛存在于浅部含水层。针对浅部含水层中微生物活动及其降解 石油烃能力的研究，也在实验室热烈地展开( w i l s o ne ta 1 ，1 9 8 6 ) 1 4 j 。另外，许 多现场研究表明微生物氧化石油烃的作用能够清楚地体现在地下水化学方面 ( c h i a n g e ta 1 ，1 9 8 9 ) 【5 j 。重要的是，这些研究认为石油烃在地下厌氧条件下能 够被氧化。现在的实验室研究表明，石油烃能够在硝酸盐还原条件下、三价铁 还原条件下、硫酸盐还原条件下以及产甲烷条件下被降解。 8 0 年代后期出现了基于物理、化学、生物过程的一种新技术，即生物修复 技术，其发展提供了一个具有政策、经济和技术吸引力的处理方法，被认为具 有广阔的前景。生物修复只是一个自然过程的强化，其最终产物是二氧化碳、 水和脂肪酸等，不会形成二次污染或是导致污染的转移，可以达到将污染物永 久去除的目的，使地下水燃油污染物的暴露减少到最小程度。生物修复可以将 b t x 浓度降为0 0 5 - 0 1 0m e c l ，甚至低于检测限。 然而，由于乙醇的去除需要大量的生物氧量，其过程能够快速消耗含水介 质中有限的可利用电子受体，并对其它组分( 如毒性污染物b t e x ) 的去除造 成了障碍。如何快速去除地下水中存在的乙醇，促进b t e x 的生物去除，是研 究者关注的课题。 1 2 2 乙醇作为碳源的反硝化研究 反硝化条件下有机污染物的微生物降解是反硝化细菌利用有机污染物作为 自身生长繁殖的碳源与能源，以硝酸根( n 0 3 ) 作为电子受体，将有机污染物 降解为无害产物( 如c 0 2 和h 2 0 等) 的过程。很多反硝化细菌是异养的，它们 可以利用较大范围的碳化合物( 糖，有机酸，氨基酸) 作为电子的来源，表明 它们是利用有机化合物中的碳而不是碳的二氧化物中的碳。r i l e y ( 2 0 0 2 ) 提出 p s e u d o m o n a s 属代表了自然环境中最可能的最有活性和丰富的反硝化菌； h i s c o c k 等( 1 9 9 1 ) 认为其他重要的菌落是a l c a l i g e n e s 和f l a v o b a c t e r i u m 。1 6 j 过去的文献对使用不同碳源时硝酸盐的反硝化去除速率和效果作了比较， 其中包括了乙醇，但不是针对于乙醇的去除，而是地下水中硝酸盐的去除。 3 桂林工学院硕士学位论文 g o m e z 等1 7 j ( 2 0 0 0 ) 首先利用淹没式生物滤池研究了不同碳源对污染地下水中 硝酸盐去除的影响。这种淹没式生物滤池设置在水下有利于维持反应的微氧或 厌氧环境，该实验分别讨论了三种碳源( 蔗糖、乙醇和甲醇) 对污染地下水( n 0 3 1 0 0m g l ) 中硝酸盐去除的效果。处理地下水以蔗糖为碳源时测定的亚硝酸盐 的积累量最为显著，其值达到5m l 。而以乙醇和甲醇为碳源时，亚硝酸盐的 积累量在处理水的实验中实际上为零。g o m e z 等1 8 】( 2 0 0 2 ) 还以乙醇、甲醇和 蔗糖为碳源，利用反硝化淹没式滤池，分别测定了溶解氧浓度对去除地下水中 硝酸盐反应过程的影响。为了消除溶解氧的负面影响，需要增加碳源的加入量， 因为高浓度的电子受体需要高浓度电子供体的加入。结果表明增加了碳源后， 所有的硝酸根即使有氧存在也都要被还原为n 2 或n 2 0 ；而且认为以乙醇为碳源 时，硝酸盐去除受到低浓度溶解氧的影响较小。g o m e z 等1 9 】( 2 0 0 3 ) 的研究还 表明生物滤池中硝酸盐一无机氮的去除和进水乙醇的浓度高度相关：没有加入 乙醇时，出水总无机氮的浓度去除率只有2 ；加入乙醇使进水的c n 比为1 0 8 ( 乙醇4 6 7 4m g l ) 时，出水中总无机氮浓度迅速减少，去除率达到9 9 ，硝 酸盐浓度随着乙醇浓度的增加立即减少。g o m e z 等的系列研究反过来说明了添 加硝酸盐可以促进乙醇的去除机理。 n y b e 唱等i l o j ( 1 9 9 6 ) 总结了甲醇和乙醇两种外加碳源为主要的有机质时 硝酸盐的去除，两种碳源功能都很好。以乙醇为碳源时氮的利用率是以甲醇为 碳源时的三倍，加入乙醇时，反应非常迅速，而加入甲醇时，要达到同样的反 应水平需要三个星期，这表明以乙醇为碳源时，有利于反应的启动。乙醇和甲 醇为碳源时氮的利用速率分别为1 0m gn gv s s h 和3m gn gv s s h 。 c o n s t 锄t i n 等i l u ( 1 9 9 7 ) 研究了以乙醇和乙酸作为碳源时，对一定浓度硝酸盐 ( 1 1 5 m m ) 工业废水反硝化处理的影响。结果发现在这两种碳源存在的反硝化 过程中没有亚硝酸盐的积累；乙醇为碳源时反硝化速率较大，而乙酸为碳源时 只有个别时候反应较快，说明乙醇更有利于微生物的生长。k e s s e m 等【1 2 】( 2 0 0 3 ) 研究了生物反硝化的生物反应器中乙醇c 和硝酸盐n 的比，实验确定了最佳 的o ，n 比是1 4 1 0 4 1 ，且由于有氧条件，在实验出水中能检测到乙酸的存在， 该实验研究结论认为在两种c n 比3 ：1 和1 5 ：1 条件下，硝酸盐的去除率均接近 1 0 0 ，而检测到的乙酸含量是低于限制值的，证明了此时的反硝化是非常有效 的。 g u s m a o 等【”】( 2 0 0 6 ) 研究了乙醇混合汽、佃和峭酸盐i 刊时污染的地下水中， 乙醇，b t e x 和硝酸盐三者的相互作用。认为选择培养的反硝化共生菌能够有 效的利用乙醇作为碳源和电子供体去除硝酸盐，而同时利用硝酸盐作为b t e x 4 桂林工学院硕士学位论文 厌氧降解的潜在电子受体，使三者能够同步去除：b t e x 去除率均超过9 3 ， 有的接近1 0 0 ，硝酸盐去除率多数大于9 0 ，有机质去除率在大多数情况下 接近或大于9 0 ，出水中三者的浓度均低于检测下限，去除效果良好。g u s m a o 等【1 4 1 ( 2 0 0 7 ) 进一步研究了反硝化作用短期内去除有机质、硝酸盐和芳香苯系物 的情况，去除效率较好，并认为这些芳香烃不需要其中一种作为另一种降解的 基质，可单独被降解。 这些文献资料对乙醇作为碳源条件下的反硝化作用情况进行了比较，阐述 了影响反硝化作用的因素，认为乙醇作为碳源具有较高的反硝化速率，对反应 条件的限制不是非常的严格，在有溶解氧存在时对反应过程的影响也不是很大。 这些结果对开展反硝化去除乙醇提供了前期研究的依据。 1 2 3 乙醇存在对反硝化菌生长的影响 对于污染物去除中反硝化菌的生长，有很多文献对这方面作了阐述。 c l e m e n t 等1 1 5 j ( 1 9 9 7 ) 研究了一维土柱多孔介质中硝酸盐和乙酸在高浓度( 4 8 m 班n i t r a t e ，5 8m e la c e t a t e ) 和低浓度( 5m e ln i t r a t e ，5 5m e la c e t a t e ) 条件下， 非限制性反硝化共生菌的细菌生长和迁移。乙酸浓度高时，生长的生物量较多， 出水的细胞浓度为6 2m e l ，比低浓度时的细胞浓度0 6 5m e l 多一个数量级。 g o m e z 等1 8 j ( 2 0 0 2 ) 研究了生物膜的生长，生物膜上的反硝化细菌受到氧的影 响。没有氧时，发现了碳源的消耗速率和生物膜厚度增长速率呈现正的线性相 关( 相关系数：蔗糖o 9 8 ，甲醇0 9 7 ，乙醇0 9 6 ) ，碳源的消耗速率和生物膜上 反硝化细菌的密度也是线性相关的；和蔗糖相比，以乙醇为碳源时细菌密度大 得多，这种差别被用来解释在无氧条件下，乙醇为碳源时去除硝酸盐较多的原 因。 g o m e z 纠7 】( 2 0 0 0 ) 认为以蔗糖为碳源时，产生的生物量较多，引起了过 滤器的堵塞；改以乙醇和甲醇为碳源时，生物膜上反硝化细菌的密度较高，表 明和蔗糖相比，这些碳源增进了反硝化活动。g o m e z 等1 9 j ( 2 0 0 3 ) 进一步研究 了乙醇浓度对生物膜上细菌组成的影响，比较了不同乙醇浓度( 0 - - - 4 6 7 4m e l ) 下的细菌总数、反硝化细菌、硫酸盐还原菌和反硝化活动( n 2 0 的产生1 。生物 膜上显示了不同的细菌组成，单向淹没式生物滤池的入1 3 处有较多微生物生成。 从生物膜上分离了五种不同类型的反硝化细菌，都是革兰氏阴性细菌，所有的 种类都显示了随着乙醇浓度的增加反硝化活动也增加。从这种意义上来说，生 物膜上反硝化细菌的数量和乙醇浓度密切相关。 上述研究表明，乙醇的存在及其浓度的高低，对生物量的生长量、生物膜 桂林工学院硕士学位论文 厚度以及细菌密度的影响十分显著。 1 2 4 微生物生长对介质水动力条件的影晌研究 一些研究( m o l ze ta 1 ，1 9 8 6 ；a l b r e c h t s e ne ta 1 ，1 9 9 8 ) i1 6 ，1 7 】认为微生物生长和 多孔介质的水动力条件有关，水力传导率的减小阻滞了水流和生物膜的接触， 堵塞了系统上层水流运移营养物。另外，细菌可能通过形成碳酸盐沉淀增加堵 塞过程。也有研究( t a y l o ra n dj a f f 6 ，1 9 9 0 a ；h o l m ，2 0 0 0 ；b i e l e f e l d te ta 1 ，2 0 0 2 a b ) 1 1 8 - 2 1 1 1 鲷明了微生物生长可以导致多孔介质的生物堵塞，伴随有有效空隙度、水 力传导率和弥散系数的变化。 a l l l o l l 掣2 2 j ( 2 0 0 5 ) 通过实验研究认为空隙透过率的减少主要是因为细菌 细胞和由细菌产生的胞外酶的堵塞引起的；而且降解活动主要发生在空隙的进 样口处，因为此处有降解需要的最合适的条件( 营养物和氧等) ，这也导致了进 样口附近区域的堵塞。 m a u c l a i r e 掣2 3 】( 2 0 0 6 ) 通过砂质慢滤池中饮用水案例分析了多孔介质中 微生物群落和无脊椎动物对水力传导率的影响。较大细菌和真菌生物量的形成 引起了微生物群落向厌氧生活转变，导致产生碳酸盐沉淀而可能增加堵塞，导 致水力传导率的减小。真核生物的掠夺行为和生物扰动不能抵消由于原核生物 堵塞导致的水力传导率的减小。 综上所述，现有的相关文献解释了微生物生长与介质水动力条件的关系， 表明反应过程中细菌的繁殖或中间过程沉淀的产生会引起堵塞的发生，从而影 响介质的水动力条件。渗透系数( 水力传导率) 是反映含水层透水能力的参数， 也是控制介质水动力条件的最重要的含水层参数。在饱和带中，地下水流和溶 解性污染物的运移速度、途径与水力传导系数有着直接的关系，从而影响污染 物的归宿和运移。在污染物生物去除的工程措施中，向含水介质中添加电子受 体，以改善含水层本身有限电子受体条件，促进微生物作用，达到修复含水层 的目的。 然而相关研究的文献也表明，这样的修复措施会导致含水介质渗透性能降 低。而且，对于乙醇燃油泄漏污染含水层中乙醇的浓度，将明显高于为去除硝 酸盐而作为碳源存在的乙醇浓度。那么，高浓度乙醇存在将对含水介质带来什 么样的影响，目前已经引起了研究者的关注，但针对性的文献还没有，因此需 要开展试验研究来证实。 6 桂林工学院硕士学位论文 1 3 本选题研究的目的、主要内容、技术路线、特色与创新 1 3 1 研究目的 本次试验的研究目的主要有两个方面： 通过乙醇汽油污染试验，了解反硝化增强修复乙醇燃油污染物的效果： 乙醇汽油污染试验中，对不同砂柱不同污染物浓度的修复过程进行比较， 了解修复过程对介质渗透性能的影响。 1 3 2 研究内容 1 乙醇去除的反硝化修复效果：利用反硝化条件，研究乙醇燃油主要污染 物( 乙醇与b t e x ) 的去除与硝酸盐消耗的关系，反映反硝化机理修复乙醇燃 油污染介质的效果，并说明混合电子受体的修复效果。 2 乙醇燃油污染介质反硝化增强修复对渗透能力的影响分析：通过渗透系 数的背景监测和投注污染物后的影响监测，描述渗透系数变化与污染物修复过 程的对应关系。 1 3 3 技术路线 7 桂林工学院硕士学位论文 1 3 4 研究的特色与创新点 本次研究是通过乙醇汽油污染试验，反映反硝化增强修复乙醇燃油污染物 的效果，尤其是乙醇燃油修复过程对介质渗透性能的影响。国内外学者对乙醇 汽油的生物修复已有关注，但成果不多，处于起步阶段。而且本次研究是自然 条件下的硝酸盐反硝化去除污染物，没有确定严格的硝酸盐反硝化，因为在乙 醇混合汽油泄露污染的地下水中是有溶解氧和硫酸根等其它电子受体的，是一 种具有多种混合电子受体的自然条件。 对于利用含水层试验砂柱，反硝化增强修复乙醇混合汽油及其反应过程中 微生物的生长繁殖或其它原因引起的渗透能力的变化，国内还没有开展试验研 究。该研究填补了国内乙醇混合汽油污染地下水时微生物生长与渗透能力关系 方面的空白，为今后深入研究地下水污染修复提供有力的试验依据。 8 桂林工学院硕士学位论文 第2 章反硝化增强修复的措施选择依据 2 1 生物修复可利用的电子受体比较 以下列出了生物修复可利用的不同电子受体的研究成果，并说明了各自的 优劣性，从中比较可以看出硝酸盐反硝化增强修复的重要性和优越性。 2 1 1 溶解氧 在生物降解燃油烃的过程中，溶解氧是热力学上最具优越性的电子受体【3 1 。 在浅层地下水中，常有一定浓度的溶解氧检出( 0 - 2r a g l ) 。有氧生物降解的 速率很大程度上取决于氧气的供给，随着有氧降解的进行，溶解氧迅速被消耗。 由于溶解氧在水中的溶解度较小，补充溶解氧有一定的难度，成本较高。 2 1 2 硝酸盐 当含水层中溶解氧被消耗后，厌氧条件便形成，硝酸盐可以被厌氧微生物 利用为电子受体，矿化b t e x 等污染物，这个过程即反硝化作用，最终导致二 氧化碳、水和氮气的生成1 3 】。在反硝化作用出现的地段，溶解性b t e x 浓度提高 的范围与硝酸盐消耗浓度( 相对于背景浓度) 之间将具有密切的相关关系。污 染地下水中硝酸盐的缺失表明硝酸盐可能是电子受体。硝酸盐相对于硫酸盐、 三价铁、二氧化碳具有最高的氧化潜力。 溶解燃油烃溶解晕中通常检不出硝酸盐，这个现象表明细菌种群的适应性 很快、以及环境中硝酸盐浓度消耗很快，这个关系类似于溶解晕中溶解氧与 b t e x 的关系。从而也表明了反硝化过程中微生物活动受制于可利用的硝酸盐 浓度【3 1 。r u i z a g u i l a r 等 2 4 i ( 2 0 0 2 ) 取四个不同地点的含水层物质用作为微元体的 介质，在反硝化和硫酸盐还原条件下对乙醇与b t e x 混合物的降解情况进行了 研究，结果表明：反硝化微元体中乙醇的降解速率为0 8 2 0d ，硫酸盐微元 体中降解速率为0 1 - - 0 8d 一。硫酸盐条件下乙醇与b t e x 的降解速率比反硝化条 件下的慢。 2 1 3 三价铣 三价铁具有相对高的氧化潜力，有些情况下，一旦含水层中溶解氧和硝酸 9 桂林工学院硕士学位论文 盐被消耗，三价铁就能作为电子受体。通过微生物氧化地下水中有机物质( 或 有机污染物) ，会普遍出现三价铁转化为二价铁。l o v l e y 等 2 5 】( 1 9 8 9 ) 确认- f g s 1 5 生物在铁还原条件下厌氧降解甲苯的事实。含水层沉积物中含有大量的三价铁， 根据l o v l e y 【2 6 】f 1 9 9 1 ) 1 拘报道，三价铁有利于生物还原的最好形式是晶体状的铁 氧化物和氢氧化铁。c h a p e l l e l 2 7 1 ( 1 9 9 3 ) 也认为三价铁还原( 放热过程) 是某 些微生物主要的代谢路径。然而，最近的证据表明，如果没有微生物催化，三 价铁还原是不能发生的【孤硎。而且由于三价铁相对低的同化作用能力，需要补 充的量较多，成本也较高。 2 1 4 硫酸盐 在微生物作用带，溶解氧、硝酸盐和生物可利用的三价铁被消耗后，硫酸 盐可能作为厌氧生物降解的一个电子受体，硫酸盐还原菌能够开始降解燃油烃。 硫酸盐比其他化合物能更多的接受电子，但其氧化潜力相对较低。在b t e x 氧 化过程中，硫酸盐被转化为硫化氢。相对于背景值，硫酸盐浓度的降低和硫化 氢浓度的提高标志着硫酸盐可能参与场地b t e x 的氧化。 一般来讲，利用硫酸盐还原降解b t e x 的范围与重要性尚不十分清楚。硫 酸盐还原不像需氧呼吸、反硝化或铁还原那样具有生物学上的优势。而且，硫 酸盐还原菌对环境条件十分敏感，包括温度、无机营养物f f l l p h 等，不合适的环 境条件可能会严格限制硫酸盐还原降解b t e x 的意义【3 1 。 2 1 5 二氧化碳 在产甲烷过程中( 一个厌氧生物降解过程) ，二氧化碳是一个电子受体，其 导致甲烷产生。通常，产甲烷过程在污染物溶解氧、硝酸盐、生物可利用的三 价铁和硫酸盐被消耗后出现，甲烷的生成是强还原条件的体现。要达到这样的 还原条件，其它氧化能力强的化学物质如溶解氧、硝酸盐和锰必须首先被还原， 这个氧化还原反应称为产甲烷作用或甲烷发酵过程，该过程能量生成相对于其 它化学过程较少【3 1 。由于燃油烃中缺乏甲烷，因此地下水中甲烷浓度高于背景 值表明微生物降解石油烃作用的存在。 也可以从乙醇在不同受体条件半衰期( 表2 1 【3 j ) 来说明不同电子受体的优 劣性。可以看出乙醇在有氧和硝酸盐存在的反硝化条件下半衰期较短，某些情 况下，反硝化条件下的乙醇半衰期更短( 1 天) ，降解速率快。 1 0 桂林工学院硕士学位论文 表2 1 乙醇半衰期估测值( p o w e r sa n do t h e r s ，2 0 0 1 ) 电子受体 半衰期( d a y s ) 氧气 硝酸盐 三价铁 硫酸盐 二氧化碳 2 3 1 3 4 7 6 另外从乙醇在各种电子受体条件下完全转化的化学反应式来说明，如下： c 2 h 5 0 h + 3 0 2 = 2 c 0 2 + 3 h 2 0 c 2 h s o h + 2 4 n 0 3 。+ 2 4 h + = 2 c 0 2 + 4 2 h 2 0 + 1 2 n 2 c 2 h 5 0 h + 1 2 f e ( o h b + 2 4 h + = 1 2 f e “+ 2 c 0 2 + 4 2 h 2 0 c 2 h 5 0 h + i 5 s 0 4 2 - + 3 h + = 2 c 0 2 + 1 5 h 2 s + 3 h 2 0 c 2 h 5 0 h - - 0 5 c 0 2 + 1 5 c i - h ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) 从上述反应式可以得到，1m 乙醇的完全降解需要约3m 溶解氧，2 4m 硝酸盐，1 2m 三价铁，1 5m 硫酸盐，产生1 5m 甲烷，消耗的硝酸盐和溶解 氧相近；各种电子受体利用的优先性依次为溶解氧 硝酸盐 三价铁 硫酸盐 - - 氧化碳，氧化潜力是依次下降的i 驯。 不同电子受体的研究、乙醇在不同电子受体条件下降解半衰期及化学反应 式和已有研究闭j 都表明硝酸盐是一种可用来代替氧的良好电子受体，原因是： ( 1 ) 反硝化菌在地下环境中广泛存在，与受污染含水层紧密联系；( 2 ) 既可作 为电子受体，又可在微生物同化作用中作为氮源；( 3 ) 降解过程中，以n 0 3 。 为电子受体的能量产出与0 2 相近：( 4